La combustion en mode pauvre prémélangé permet de réduire les émissions polluantes, mais elle est limitée par l'apparition de fortes instabilités. Afin d'étudier ces instabilités, nous avons conçu une chambre de combustion proche d'une configuration industrielle fonctionnant au gaz naturel. La chambre, pressurisée à 5 bar, est munie de deux dispositifs d'injection d'air: air secondaire et air de dilution. Le prémélange est créé par un injecteur constitué d'un swirl axial et d'un bluff body.<br />L'étude de l'instabilité a été effectuée en fonction de plusieurs paramètres: température d'entrée d'air, débit, richesse de combustion, angle du swirl, présence d'une flamme pilote, position des orifices d'injection d'air secondaire et géométrie du fond de chambre. Pour chaque configuration nous avons mesuré le champ de vitesse, les émissions polluantes, l'émission spontanée du radical CH* et l'évolution temporelle de la pression dans la chambre de combustion. Le résultat principal montre que les injections d'air secondaire jouent un rôle important et complexe dans les chambres de combustion notamment sur la structure et la dynamique de la flamme.<br />Les spectres temporels de pression et de CH* ont montré plusieurs fluctuations temporelles de la combustion que nous avons classées en trois categories: <br />- Les fluctuations basses fréquences dues aux instabilités de combustion<br />- Les fluctuations convectives dont les fréquences ne dépendent que de la vitesse de l'écoulement<br />- Les fluctuations acoustiques dont les fréquences ne dépendent que de la température de l'écoulement<br />L'étude locale des émissions de CH* montre que les positions des maximums de fluctuations se situent à des emplacements différents dans la zone de réaction suivant le régime de combustion. Nous avons adapté localement le modèle du temps de retard (time lag) qui permet de connaître les conditions favorables d'amplification d'une perturbation convective. Les résultats montrent que nous pouvons prédire la position et l'intensité des fluctuations convectives dans la zone réactive en fonction de la température d'entré ou de la puissance de l'installation. Toutefois, ce modèle trouve ses limites lorsque l'interaction de l'air de dilution secondaire devient trop importante avec la zone de réaction.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de physique théorique appelé systèmes intégrables, qui mêle fructueusement physique et mathématiques et se caractérise par la possibilité d'obtenir des résultats exacts (i.e. non perturbatifs) guidant les prédictions physiques qui en découlent. <br />Dans ce contexte, l'équation de Schrödinger non-linéaire (à 1+1 dimensions) est un système privilégié. On la retrouve comme modèle de phénomènes variés tant classiques (optique non-linéaire, mécanique des fluides...) que quantiques (gaz ultra-froids, condensation de Bose-Einstein...). En outre, elle a contribué à la mise au point de techniques de résolution des systèmes intégrables : méthode de diffusion inverse, ansatz de Bethe, identification et utilisation de symétries (groupes quantiques, Yangiens). En utilisant ce système à la fois comme support de test et comme modèle de prédiction, mon travail de thèse tourne autour de deux points principaux : <br />- Inclusion de degrés de liberté bosoniques et fermioniques.<br />- Inclusion d'un bord ou d'une impureté.<br />Dans un premier temps, j'ai étudié une version « supersymétrique » de cette équation pour laquelle j'ai montré la validité de tous les résultats d'intégrabilité, de symétrie et de résolution explicite classiques et quantiques connus pour la version scalaire originelle. La question de l'inclusion d'un bord a été traitée d'un autre point de vue. L'idée est de partir d'une algèbre de symétrie caractéristique des systèmes intégrables avec bord, l'algèbre de réflexion, et de construire un Hamiltonien général intégrable et possédant cette algèbre comme structure de symétrie. Un cas particulier de l'Hamiltonien intégrable obtenu n'est autre que l'Hamiltonien de Schrödinger non-linéaire en présence d'un bord. Un autre cas particulier est l'Hamiltonien de Sutherland en présence d'un bord pour lequel la symétrie n'était pas connue.<br />Le problème de l'inclusion d'une impureté dans un système intégrable a constitué la plus grosse partie de mon travail. J'ai pu montrer qu'il est possible de préserver l'intégrabilité d'un système avec interaction lorsqu'on introduit un défaut qui transmet et réfléchit (une impureté) grâce à une nouvelle structure algébrique, l'algèbre de Réflexion-Transmission, appliquée à l'équation de Schrödinger non-linéaire. Cela permet de trouver la forme explicite du champ, de calculer de façon exacte les éléments de la matrice de diffusion et les fonctions de corrélation à N points et d'identifier la symétrie du problème. <br />Suite à ce travail, les équations exactes qui régissent le spectre d'énergie d'un gaz de particules en interaction de contact et en présence d'une impureté contrôlée par quatre paramètres ont été établies. Ces résultats ouvrent des perspectives d'applications en physique de la matière condensée.

Cette thèse présente une étude théorique d'un modèle d'atmosphère stellaire, modélisée comme une couche plan-parallèle irradiée sur une face, avec des électrons non thermalisés a priori. Les électrons sont caractérisés par leur fonction de distribution des vitesses (fdv), que l'on cherche à calculer en même temps que les autres grandeurs de l'atmosphère. Notre principal objectif est de comprendre le mécanisme de thermalisation des électrons, qui tend à rapprocher leur fdv de la fonction de Maxwell-Boltzmann lorsque les collisions élastiques dominent les interactions inélastiques des électrons avec le milieu ambiant, une hypothèse universellement admise en théorie des atmosphères stellaires. Les processus inélastiques (collisionnels ou radiatifs) perturbent cet équilibre, et la fdv des électrons peut s'écarter considérablement de l'équilibre maxwellien aux hautes énergies. De tels écarts modifient fortement les populations atomiques et le champ radiatif. Les calculs numériques consistent en la comparaison de trois modèles d'atmosphères: en équilibre thermodynamique local (ETL), hors ETL avec électrons thermalisés, et hors ETL avec électrons non thermalisés a priori. Nous avons résolu ce problème dans un plasma d'hydrogène pur en prenant en compte les principaux types d'interaction présents dans les atmosphères stellaires. L'équation cinétique des électrons a été résolue en calculant son terme de collision élastique à l'aide d'un modèle BGK longuement justifié dans la thèse. Notre principale contribution se situe au niveau du transfert de rayonnement. Nous avons utilisé, et surtout développé, les codes de l'équipe "Transfert" de l'Observatoire de Lyon. Les calculs montrent que la fdv des électrons s'écarte considérablement d'une maxwellienne dans la région hors ETL de l'atmosphère stellaire. Pour conclure, nous envisageons quelques extensions possibles de ce travail et certaines applications astrophysiques.

Dans des hétérostructures semiconductrices à basse température, il est possible de réaliser des systèmes d'électrons purement bidimensionnels de densité électronique variable. A basse densité, la théorie prédit que les corrélations entre électrons dominent les fluctuations quantiques, conduisant à un état collectif tel le cristal de Wigner. Dans les systèmes réels, la présence de désordre rend la situation plus complexe : l'observation récente d'une transition métal-isolant, non prévue par les théories d'électrons indépendants, pose la question de la compétition entre les interactions et le désordre en dimension deux. Ce travail présente des mesures de transport en fonction du champ électrique, et des mesures de fluctuations de résistance, à très basse température dans des gaz bidimensionnels de trous formés dans des puits quantiques SiGe et GaAs. Dans ces systèmes, la masse effective élevée des porteurs et la faible densité permettent d'atteindre un régime pour lequel les interactions ne sont plus négligeables. Dans les échantillons désordonnés (SiGe), pour lesquels les lois de transport peuvent être expliquées dans le cadre de particules indépendantes, les effets de champ électrique sont dus au chauffage des porteurs. Par contre, dans les échantillons moins désordonnés (GaAs), les lois de transport en température et en champ électrique à très faible densité sont en accord avec l'existence d'une phase collective. Dans les échantillons GaAs, les mesures de fluctuations de résistance, ou bruit en 1/f, montrent l'existence d'une transition de phase à basse densité. Ces résultats sont compatibles avec les scénarios de formation d'une phase collective en présence de désordre par l'intermédiaire d'une transition de percolation.

La glace, lorsqu'elle se forme dans les zones centrales des calottes polaires, est surmontée de plus de 100 m de neige et de névé. Au moment, où elle emprisonne dans ces bulles l'air atmosphérique, l'age de cette glace peut dépasser plusieurs milliers d'années. Ce travail contribue à préciser les étapes de cette transformation neige/névé/glace en s'appuyant sur des données de structure de ce milieu poreux et sur une modélisation physique de ces processus. La structure 2D a été caractérisée grâce à une nouvelle méthode, basée sur l'observation en épiscopie coaxiale de la surface sublimée des échantillons. A l'aide de ces données expérimentales et au regard des théories classiques du grossissement normal des grains, le grossissement dans le névé polaire et son influence sur la microstructure ont été étudiés. La densification du névé polaire a été modélisée en utilisant les processus physiques décrits pour le pressage à chaud des céramiques. Notre modèle physique de densification du névé permet de simuler l'ensemble des profils expérimentaux, en mettant en exergue le rôle prépondérant de la densité à la transition neige-névé liée à la compétition entre les mécanismes de déformation plastique. A partir des études sur le grossissement des grains et du modèle de densification, un modèle décrivant la fermeture des pores dans le névé a été construit. Ce modèle physique permet de reproduire l'évolution des courbes expérimentales de porosité fermée et de proposer une explication aux variations géographiques des mesures de teneur en gaz. Enfin, les modèles de densification et de fermeture des pores ont été utilisés pour simuler la transformation de la neige en glace à Vostok pour des conditions climatiques glaciaires. S'appuyant sur ces modélisations du milieu poreux, un modèle de transport des gaz dans les pores, de l'atmosphère aux bulles de la glace, a été élaboré. Un intérêt particulier a été porté à l'évaluation des coefficients de diffusion des gaz atmosphériques dans le névé poreux, qui ont été mesurés en fonction de la porosité ouverte sur deux sites. Le modèle permet de retrouver à partir des scénario atmosphériques la composition de l'air du névé en fonction de la profondeur. Il constitue la première étape d'une déconvolution objective du signal mesuré dans l'air des bulles de la glace en terme de composition atmosphérique.

Au vu de l'ampleur et de la diversité des rôles que joue le système nuageux dans l'ensemble des processus atmosphériques, le mode de formation des gouttelettes de nuage à partir de particules d'aérosols, ainsi que les mécanismes de croissance et d'interaction de ces dernières avec les composés gazeux environnants suscitent un grand intérêt au sein de la communauté scientifique. C'est dans ce cadre que cette étude s'est attachée à compléter notre connaissance des propriétés physico-chimiques des noyaux de condensation des nuages (CCN) et de leur influence sur la microphysique des gouttelettes. Une détermination expérimentale des propriétés des aérosols est en premier lieu à la base d'une classification simple des masses d'air rencontrées sur le site du puy de Dôme. Les masses d'air rencontrées sur ce site montrent une anthropisation principalement associée à une augmentation de sels inorganiques. La discrimination des familles de composés inorganiques et carbonées en diverses classes de tailles permet d'observer une répartition des espèces particulaires en mélange externe. Cette observation a des conséquences sur le comportement de ces particules lors de la formation d'un nuage. Un montage expérimental complexe (Counterflow Virtual Impactor, Round Jet Impacteur, Whole Air Inlet) permet d'observer, pour une même classe de taille, une incorporation des composés inorganiques solubles significativement plus élevée que l'incorporation des composés organiques carbonés. Une altération des aérosols à leur surface modifie plus en avant leur comportement hygroscopique. L'utilisation d'un modèle microphysique d'activation de CCN montre que l'accord entre les taux simulés et les taux mesurés sont grandement améliorés si l'hypothèse de mélange externe de particules modifiées à leur surface est prise en compte. Enfin, l'échantillonnage de la phase liquide du nuage associé aux mesures précédentes nous permet de conclure qu'aucune des phases (particulaire ou gazeuse) ne peut être négligée pour rendre compte de la composition finale des gouttelettes de nuage. Après évaporation de la gouttelette, le résidu solide est plus enrichi en nitrate qu'en sulfate par son passage dans le cycle nuageux.

Nombre de nuages contiennent de la glace, même à basse altitude. Or, son influence sur leur rôle dans la chimie troposphérique est très mal connue et ne peut être étudiée sans comprendre d'abord la répartition des gaz entre les différentes phases du nuage. Afin d'étudier cette répartition, la collecte des gaz et aérosols interstitiels, de l'eau surfondue et de la glace précipitante a été associée à la mesure des contenus en eau et en glace de nuages mixtes à l'observatoire du Puy de Dôme. L'équilibre de Henry entre les gouttelettes et l'atmosphère n'est pas respecté. Les écarts à l'équilibre les plus importants apparaissent à pH élevé pour les espèces les plus solubles (HCI, HN03). Ces écarts sont corrélés avec le pH, ne sont pas influencés par la présence de glace et sont trop importants pour être expliqués seulement par des limitations de transfert de masse. La rupture de surfusion qui accompagne l'accrétion de ces gouttelettes sur les cristaux de glace provoque la réémission de certains gaz solubilisés (S02 et probablement acide acétique). La caractérisation microphysique du nuage a permis une évaluation théorique de la captation dynamique des aérosols par la neige précipitante et de son taux de givrage. Celui-ci est également estimé par comparaison des concentrations d'espèces caractéristiques des noyaux de condensation dans la neige et dans l'eau surfondue. Ces 2 estimations concordent et permettent, la captation dynamique dans le nuage se révélant négligeable, de distinguer dans les neiges collectées les contributions du givrage et de la solubilisation directe des gaz aux concentrations totales observées. Les acides forts sont incorporés dans la glace essentiellement par le givrage, alors que pour les acides faibles, la solubilisation directe peut être importante, son importance dépendant des caractéristiques physiques du nuage.

La capture et la séquestration du CO2 en sortie des usines d'incinération, des centrales thermiques ou des cimenteries est devenu un enjeu mondial. La capture de ce gaz par voie hydrate est une alternative prometteuse. L'objet de cette thèse est l'étude de la stabilité des systèmes d'hydrates mixtes contenant du CO2 et un autre gaz (N2, CH4 et H2) avec l'eau pure, ou encore avec un additif permettant l'abaissement des pressions de formation : le tetrabutylamonium bromure (TBAB), dans une perspective de séparation de gaz. La technique expérimentale que nous avons utilisée est la calorimétrie différentielle programmée (DSC). Elle nous a permis de mesurer les températures et les enthalpies de dissociation des différents systèmes d'hydrates avec l'eau pure : N2, CH4, N2+ CO2, CH4+CO2, H2+CO2 ; mais aussi des systèmes semi-clathrates: CO2+CH4 et CO2+N2 à différents pourcentages massiques de TBAB (10, 20, 30 et 40). La dernière partie de cette thèse concerne la modélisation thermodynamique des semi-clathrates, où nous avons développé le cas particulier du système d'hydrate: CH4+TBAB.

La mise en œuvre des réfrigérateurs à dilution implique la consommation d'4He liquide. Ces réfrigérateurs ne sont pas autonomes et leur utilisation devient ainsi contraignante et onéreuse lorsque les laboratoires ne disposent pas de système de reliquéfaction.<br />A la fin des années 1990, les tubes à gaz pulsé bi-étagés commerciaux ont atteint des performances telles, que l'idée de les utiliser à la place des bains d'4He classiques commençé à émerger. Quelques prototypes de laboratoire furent ainsi développés, dont un exemplaire commercialisé par l'Air Liquide en collaboration avec le CNRS-CRTBT.<br />Cette thèse, réalisée au CRTBT et cofinancée par l'Air Liquide, a permis d'étudier le couplage d'un réfrigérateur à dilution avec un tube à gaz pulsé afin de réaliser un appareil commercial offrant des performances comparables, en volume expérimental et puissance froide, aux réfrigérateurs classiques de moyenne puissance.<br />Dans un premier temps, nous avons porté notre attention sur la réalisation du cryostat. L'absence de fluides cryogéniques permettant la thermalisation homogène des diverses entités, ainsi que la puissance frigorifique limitée par les performances du tube à gaz pulsé et les vibrations générées par ce dernier constituaient les principales caractéristiques de notre étude.<br />Nous avons réalisé un cryostat offrant un volume expérimental de 750 mm sur un diamètre de 200 mm. Le temps de prérefroidissement est de 12 heures entre 300 K et 4,2 K.<br />Dans un second temps, nous avons étudié l'intégration du réfrigérateur à dilution.<br />Le prérefroidissement de l'injection d'3He entre 300 K et 4,2 K nous a amenés à développer un système de thermalisation spécifique permettant d'optimiser l'utilisation des ressources du tube à gaz pulsé. Ce développement a abouti à un brevet CNRS-Air Liquide. <br />Le prérefroidissement entre 4,2 K et la température de l'évaporateur a constitué un travail important concernant l'étude du principe de refroidissement par échangeurs Joule-Thomson.<br />Nous avons ainsi atteint des températures inférieures à 10 mK et obtenu des débits de circulation allant de 90 à 200 micromoles par seconde avec des temps de condensation de l'ordre de 2 heures pour un réfrigérateur à deux échangeurs discrets.

La composition d'un matériau cimentaire influe sur la formation de sa microstructure et par conséquent sur ses propriétés de transfert déterminant sa durabilité. Celle-ci peut être caractérisée à l'aide d'indicateurs de durabilité. Dans la littérature, il existe très peu de modèles permettant l'estimation de ces indicateurs à partir de la composition d'un matériau cimentaire. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à un indicateur de durabilité particulier : la perméabilité au gaz. Notre objectif consiste à étudier le lien entre la composition d'un matériau cimentaire et sa perméabilité. Dans un premier temps, cette relation est étudiée et analysée à travers une campagne expérimentale sur des pâtes de ciment, mortiers et bétons. Le but est de déterminer l'influence des paramètres de formulation sur la microstructure et sur la perméabilité d'un matériau cimentaire. Ensuite, une étude de modèles donnant la perméabilité d'un matériau cimentaire à partir des caractéristiques de sa microstructure est faite. Pour finir, un modèle permettant de prédire la perméabilité d'une pâte de ciment à partir de ses paramètres de formulation (E/C, surface spécifique Blaine et densité du ciment) est proposé et comparé aux modèles précédents et aux perméabilités expérimentales.